功率循环对IGBT 寿命的影响——准确估算功率器件的寿命

 

内容摘要

供应商们正在努力提高绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、Si和SiC MOSFET以及其他功率器件的最大功率水平和电流负载能力，并同时保持高质量a和可靠性。新技术随着创新而纷纷涌现，例如改进了导热性的陶瓷基板、用于取代粗封装键合线的带式键合，以及用于增强模块循环功能的无焊芯片贴装技术。因为市场提供了芯片、所需的直接覆铜 (DBC) 基板以及各种不同的芯片贴装材料，最终用户也可以设计和制造功率模块。这为机械设计提供了更高的灵活性，但也带来了严峻的热和可靠性挑战，因为功率模块通常用于混动和电动汽车 (EV) 等领域，高可靠性至为重要。

——约翰·帕里 (John Parry)

运行过程中产生的高结温和高温度梯度会引起机械应力，尤其是在具有不同热膨胀系数的材料之间的接触面上，这可能导致这些器件性能退化甚至完全失效。为避免过早失效，需要恰当地选择热设计和材料。
 

Simcenter POWERTESTER硬件是Siemens Xcelerator这一全面、集成式软硬件和服务产品组合的一部分，旨在实现零件可靠性评估流程的自动化，以便正确估算功率模块的使用寿命，识别可在开发过程中消除的弱点，从而提高可靠性和使用寿命。本文详细说明了如何将Simcenter POWERTESTER应用于各包含两个半桥的四个中等功率IGBT模块，展示了通过器件自动功率循环获得的丰富数据。本文摘录自参考文献部分所列的两篇技术论文。
 

这些模块固定在集成于Simcenter POWER TESTER中的液冷冷却板上，采用一块高导热垫片来尽量减小界面热阻。在整个实验过程中，使用由Simcenter POWERTESTER控制的冷却循环器将冷却板温度保持在25摄氏度 (°C)。器件的栅极连接到器件的漏极（即所谓的“放大二极管设置”），同时各个半桥使用单独的驱动电路供电。两个电流源分别连接到相应的半桥。使用一个可以快速开关的高电流源对这些器件施加阶跃式功率变化。使用一个低电流源为IGBT提供连续偏置电源，以测量器件温度。

Simcenter T3STER Master：累积结构函数

图1.样品0的结构函数，对应于不同时间点的控制测量值。

在第一组测试中，我们采用恒定的加热和冷却时间分别测试了四个样品。选择加热和冷却时间以产生100°C左右的初始温度波动，功率为约200瓦特(W)，加热时间为3秒，冷却时间为10秒。这样可以更贴切地模拟应用环境，其中热结构的性能退化会导致更高的结温，进而加快器件老化。在这四个器件中，样品 3 在经过10000次循环后便失效，远早于其他样品。样品0、1和2坚持的时间较长，分别在经过40660、41476 和 43489次功率循环后失效。图1说明了通过瞬态热测试（每隔5000次循环对样品0执行一次测量）生成的结构函数。0.08瓦特 x 秒/开尔文 (Ws/K) 处的平坦区域对应于芯片贴装。从中可以发现，该结构在15000次循环之前保持稳定，但在该点之后，随着热阻的持续增大，可以明显观察到芯片贴装性能的退化，直至器件失效。导致器件失效的直接原因仍旧不明，但我们发现，栅极和发射极之间形成了短路，而且在芯片表面上可以看到一些焦斑。

 

Simcenter T3STER Master：累积结构函数

图2.IGBT1在功率循环期间的结构函数变化。

第二组测试使用完全相同的样品，但采用由Simcenter POWERTESTER支持的不同功率策略。在本例中，我们对IGBT1保持恒定的电流，对IGBT2保持恒定的加热功率，对IGBT3保持恒定的结温变化。为确保公平比较，选择的设置可为所有器件提供相同的初始结温温升，即对测试中选择的每个器件施加3秒加热时间和17秒冷却时间，以及约240W的初始加热。对每个器件分别测量所有循环中的完整加热和冷却瞬态变化，并用Simcenter POWERTESTER硬件持续监测以下电学参数和热学参数：

开启加热电流时的器件电压，Von

上一循环中施加的加热电流，ICycle
 

功率阶跃，P

关闭加热电流后的器件电压，Vhot

开启加热电流前的器件电压，Vcold

上一功率循环期间的最高结温，Thot

上一功率循环期间的最低结温，Tcold

上一循环中的温度波动，ΔT

由加热功率归一化处理的温度变化，ΔT/P

 

此外，在250次循环后，使用10A加热电流测量从通电稳态到断电稳态之间的全程热瞬态变化，以创建结构函数来研究热累积中的任何性能退化。同样，持续进行实验，直到所有IGBT失效。

不出所料，IGBT1先失效，因为在零件退化过程中没有对施加的功率做任何调节。有趣的是，在图2所示的热结构中，它没有显示出任何退化。

为查明器件失效原因，我们必须仔细检查实验期间器件电压的演变。在图3 中，可将IGBT1在加热电流水平下的正向电压视为经历的功率循环次数的函数。在前3000次循环中，可以观察到电压处于下降趋势。

图3.IGBT1在加热电流水平下的正向电压与已应用的功率循环次数之间的关系。

这一初始变化由平均器件温度的缓慢变化（降低了近5°C）引起。尽管器件电压在低电流时呈负温度相关，但在高电流水平下，正向电压的温度相关性变为正相关。在经过约35000次循环后，这一趋势发生了变化，电压开始缓慢升高。之后，器件电压出现阶跃式变化，同时上升趋势持续加快，直至器件失效。由于结构未发生变化，电压的增大可归因于封装键合线的退化。这也解释了在封装键合线最终脱落时电压出现的阶跃式变化。

电压阶跃高度的持续增加是因为随着封装键合线数量的减少，封装键合线热阻的并联电阻之和在不断增大。如果我们使用恒定电流策略，封装键合线断裂会提高剩余键合线中的电流密度并加速老化。

图4显示了对应于IGBT3的同类型曲线。在此，器件电压的增长趋势甚至更早开始，但由于要通过调节以保持结温恒定，加热电流已按比例降低。电流的降低减少了键合线的负载，延长了测得的寿命。

图4.IGBT3在加热电流水平下的正向电压与已应用的功率循环次数之间的关系。

结语

进行的两组实验展示了不同的失效模式，说明了不同的功率策略以及可能不同的电气设置如何影响失效模式。第一组实验采用恒定循环时间，更贴切地反映了运行应用情况，证实了Simcenter POWERTESTER能够快速检测出器件结构（包括芯片贴装和其他受损层）内出现的退化现象。

第二组实验清晰地表明，当观察到器件正向电压出现阶跃式增加时，封装键合线发生了退化。但在使用这些功率选项（恒定电流、恒定加热功率和恒定温升）时，所有测试样品的热结构都未发生变化。鉴于样品数量较少，我们只能做出比较保守的结论。然而，这些实验警示我们，测量结果可能因循环策略而异，而且基于特定策略的寿命预测可能会高估功率器件的实际使用寿命。